李 晶，崔克宇

(吉林師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000)

數(shù)字化實驗因直觀、即時、便捷等優(yōu)點備受廣大教育者寵愛，被應(yīng)用于化學(xué)課堂以豐富實驗過程，促進(jìn)學(xué)生理解知識，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)。然而數(shù)字化實驗助力化學(xué)教學(xué)實踐過程中仍然存在數(shù)字化實驗應(yīng)用不適切、實驗過程設(shè)計不高效、教學(xué)情境選擇不有趣等問題。本文分析了數(shù)字化實驗在中學(xué)化學(xué)中的應(yīng)用價值和教學(xué)策略，以提高化學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

1 數(shù)字化實驗的概念和研究現(xiàn)狀

數(shù)字化實驗，即數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)和配套軟件組成，通過傳感器將實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸給數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)，對實驗結(jié)果進(jìn)行整理和分析，實現(xiàn)了人類感官的延伸，在培養(yǎng)科學(xué)探究能力，促進(jìn)學(xué)科認(rèn)知，提高信息素養(yǎng)等方面都具有獨特的教育潛力。

20世紀(jì)70年代，美國學(xué)者Robert Tinker首次提出數(shù)字化實驗，并于1978年開發(fā)出第一個教學(xué)應(yīng)用的數(shù)字化實驗，即萘的冷卻曲線實驗[3]。在21世紀(jì)后，隨著網(wǎng)絡(luò)的普及和傳感器技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)與學(xué)科課程逐漸整合。錢揚義率先于2003年將數(shù)字化實驗引入國內(nèi)，并組織開展研究[4]，并于2009年首次構(gòu)建了化學(xué)“四重表征”教學(xué)模式。2021年，錢揚義團(tuán)隊分享手持技術(shù)數(shù)字化實驗?zāi)秸n在準(zhǔn)備、拍攝、設(shè)計環(huán)節(jié)、剪輯、審查與推廣方面的建設(shè)心得，并對不同類別的案例進(jìn)行分析研究，力求促進(jìn)職前化學(xué)師范生、在職一線教師的素養(yǎng)提高。

在網(wǎng)絡(luò)和傳感器技術(shù)高速發(fā)展的今天，數(shù)字化實驗更加便攜智能，可以連接更多樣的手持設(shè)備，能夠更加高效、充分地應(yīng)用于實驗教學(xué)中。然而，一線教師在將數(shù)字化實驗應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)時存在若干問題，如在實驗過程方面，實驗過程枯燥、學(xué)生參與較少、注重宏觀現(xiàn)象而難以實時觀察某些性質(zhì)的變化；在概念理解方面，學(xué)生理解困難、學(xué)習(xí)效率低；在實際應(yīng)用方面，缺乏學(xué)科交叉、脫離生活情境；在教學(xué)策略方面，忽略學(xué)生主體、依賴應(yīng)試思維等，阻礙學(xué)生全面發(fā)展。

如今，新課程改革和教育信息化的背景給化學(xué)教學(xué)提出了新的要求，高考試題也加入了離子平衡等數(shù)字化實驗圖像題目。數(shù)字化實驗助力化學(xué)教學(xué)成為趨勢熱點。

2 數(shù)字化實驗助力化學(xué)教學(xué)的價值

1)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)實驗過程繁瑣、時間長、對操作準(zhǔn)確度要求嚴(yán)格，學(xué)生在實驗過程中容易產(chǎn)生厭煩情緒和畏難情緒。手持技術(shù)是科技產(chǎn)物，符合學(xué)生對新鮮事物的好奇心理，而且操作簡單，攜帶方便。將數(shù)字化實驗應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)中創(chuàng)設(shè)有趣情境，能夠激勵學(xué)生主動探究。

生：我是假設(shè)左邊三角形的底是a，右邊三角形的底是b，那么陰影部分的面積就是a×8÷2+b×8÷2，我們知道可以利用乘法分配律a×8÷2+b×8÷2=（a+b）×8÷2，而a+b=12，所以三角形的面積是12×8÷2=48（平方厘米）。

圖1是利用數(shù)字化實驗?zāi)M酸雨的形成，測定通入二氧化硫后和通入氧氣后pH的變化的裝置。曲線表征如圖2。引導(dǎo)學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)，解釋曲線變化背后的反應(yīng)原理。利用數(shù)字化實驗創(chuàng)設(shè)情境，能夠簡化實驗步驟，放大實驗現(xiàn)象，激發(fā)實驗興趣，并在實驗探究過程中培養(yǎng)學(xué)生的信息化素養(yǎng)、高階思維能力、科學(xué)探究意識[5]。

1.二氧化硫發(fā)生 2.模擬酸雨形成 3.氧氣發(fā)生

圖2 pH傳感器實時曲線

2)糾正錯誤觀點

技術(shù)的局限使得錯誤的學(xué)科觀點長久地誤導(dǎo)教師和學(xué)生，不利于學(xué)科知識的傳播與探究精神的培養(yǎng)。傳感器技術(shù)的發(fā)展，給予師生探索真理的機(jī)會。師生能夠借助數(shù)字化實驗記錄物理量的變化，實現(xiàn)人體感官的延伸，從而形成正確的認(rèn)知。例如，在二氧化碳的制取中，一般認(rèn)為，二氧化碳能溶于水所以無法用排水法來收集，但利用氯離子傳感器進(jìn)行實驗后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用排水法不僅可行，而且更加便捷節(jié)儉[6]。

3)加深概念理解

概念理解是學(xué)科學(xué)習(xí)的基石，但因大多概念較為復(fù)雜抽象且難以觀察，使得學(xué)生在概念理解方面有認(rèn)知難度。而數(shù)字化實驗具有可視化的優(yōu)點，有助于學(xué)生掌握學(xué)科概念、突破學(xué)科重難點。例如，利用氧氣傳感器、壓強傳感器、pH傳感器對鐵的吸氧腐蝕實驗進(jìn)行改進(jìn)，捕捉化學(xué)反應(yīng)過程中壓強和氧氣濃度變化，定量研究反應(yīng)前后溶液pH變化，借助數(shù)字化實驗幫助學(xué)生理解析氫腐蝕和吸氧腐蝕的概念，解決疑難問題，引導(dǎo)學(xué)生更全面、深刻地認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)[7]。

4)發(fā)展綜合能力

應(yīng)用手持技術(shù)能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)即時轉(zhuǎn)化為圖像，幫助學(xué)生將曲線變化與實驗現(xiàn)象建立聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生提取信息、分析問題的能力。在探究實踐過程中，學(xué)生篩選信息、動手操作、合作交流、總結(jié)經(jīng)驗的綜合能力會大幅提升。這也給教師提出了新的要求，教師需要在實驗探究過程中引導(dǎo)學(xué)生獨立思考、合作交流，發(fā)展多層次能力。在信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，數(shù)字化實驗?zāi)軌蚺c混合式教學(xué)、項目式教學(xué)、STEAM教育等教育理念相融合，強調(diào)學(xué)生多方面的能力發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)培養(yǎng)復(fù)合型人才。

5)培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度

化學(xué)教育不僅需要傳授專業(yè)知識、關(guān)鍵技能，而且需要關(guān)注學(xué)生在實驗過程中的心理變化，以及養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和堅持不懈的科學(xué)精神。數(shù)字化實驗由于便攜、即時、可視的特點，便于學(xué)生將其應(yīng)用于聯(lián)系生活實際的科學(xué)探究中，如研究空氣、河流、食品等質(zhì)量，從而感受綠色環(huán)保的理念，潛移默化培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度、社會責(zé)任意識。

3 數(shù)字化實驗助力化學(xué)教學(xué)的策略

傳統(tǒng)的教學(xué)策略在受到新技術(shù)、新理念的沖擊時，須要做出變革應(yīng)對挑戰(zhàn)，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。分析數(shù)字化實驗的作用后，考慮如何將數(shù)字化實驗融入化學(xué)實驗教學(xué)以挖掘其教育潛力。下面從創(chuàng)設(shè)趣味情境、結(jié)合傳統(tǒng)實驗、利用探究學(xué)習(xí)、融合多個學(xué)科、聯(lián)系實際生活5方面探討數(shù)字化實驗的應(yīng)用策略。

1)創(chuàng)設(shè)趣味情境

數(shù)字化實驗?zāi)軌驕y量傳統(tǒng)實驗無法測得的量，使實驗數(shù)據(jù)可視化，這可以用來創(chuàng)設(shè)趣味情境營造愉悅學(xué)習(xí)氛圍、激發(fā)學(xué)生探究興趣、提高課堂學(xué)習(xí)效率。例如，可以借助電子顯微鏡引導(dǎo)學(xué)生觀察泥土、植物油等物質(zhì)在水中分散的現(xiàn)象，形成的乳濁液現(xiàn)象如圖3，懸濁液現(xiàn)象如圖4[8]，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)分散系的興趣。再如，引導(dǎo)學(xué)生利用電流傳感器分析不同種類水果電池產(chǎn)生的電流大小，進(jìn)而分析原電池的概念、原理和用途。

圖3 乳濁液放大示意圖

圖4 懸濁液放大示意圖

2)結(jié)合傳統(tǒng)實驗

傳統(tǒng)實驗耗時長、步驟繁瑣、精確度低，但是能夠培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、實驗操作能力、分析處理問題能力，以及科學(xué)態(tài)度。而數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)采集與處理方便，能夠提高實驗效率，拓寬實驗對象范圍，培養(yǎng)信息素養(yǎng)，但是忽視實驗基礎(chǔ)操作、隱藏實驗原理。傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗在化學(xué)教學(xué)中都具有不可替代的優(yōu)勢，只有將二者有機(jī)結(jié)合才能最大程度上發(fā)揮其教育作用。例如，可以利用濁度傳感器對利用肥皂水鑒別軟、硬水進(jìn)行定量研究，即時獲得實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線表征。與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生實驗操作能力、數(shù)據(jù)分析能力，在實踐中促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展[9]。再如，在做酸堿中和滴定實驗時，傳統(tǒng)實驗利用肉眼觀察進(jìn)行滴定分析，然而個體對顏色的感知不同，且手動操作準(zhǔn)確度低、重復(fù)操作耗時長，教學(xué)價值難以凸顯，因此可以引入pH、滴數(shù)傳感器進(jìn)行實驗，再利用溫度傳感器探析中和反應(yīng)中熱量的變化，將實驗數(shù)據(jù)即使加工成曲線進(jìn)行表征，能夠減少學(xué)生負(fù)擔(dān)，加深學(xué)生對酸堿中和滴定原理的理解，培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力和綜合素質(zhì)。

3)利用探究學(xué)習(xí)

學(xué)生在體驗科學(xué)探究過程中能夠感受探究樂趣，掌握探究方法，交流實驗經(jīng)驗。而數(shù)字化實驗便于學(xué)生將精力放在實驗原理思考、數(shù)據(jù)處理分析中，使探究學(xué)習(xí)更加高效便捷。因此，將數(shù)字化實驗與探究學(xué)習(xí)相結(jié)合，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生主觀能動性、形成理性的探究態(tài)度。探究學(xué)習(xí)過程中教師應(yīng)創(chuàng)新實驗設(shè)計、耐心指導(dǎo)答疑、鼓勵小組合作、引導(dǎo)學(xué)生反思，從而保證實驗探究的效果以實現(xiàn)對學(xué)生綜合素質(zhì)的有效培養(yǎng)。

4)融合多個學(xué)科

學(xué)科融合強調(diào)將碎片化的知識進(jìn)行有機(jī)整合，引導(dǎo)學(xué)生從多個學(xué)科領(lǐng)域中理解知識，習(xí)得技能。數(shù)字化實驗是科學(xué)實驗與計算機(jī)技術(shù)融合的產(chǎn)物，能將多維實驗數(shù)據(jù)即時轉(zhuǎn)化為圖表并進(jìn)行分析處理，可以應(yīng)用于教學(xué)中來培養(yǎng)學(xué)生整合思維和協(xié)調(diào)能力。例如，化學(xué)與生物學(xué)科交叉，采用傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗有機(jī)結(jié)合的方法探究酵母菌的呼吸方式，利用氧氣傳感器得到清晰的氧氣含量變化曲線，利用傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)檢驗乙醇得到溶液由橙色變?yōu)榛揖G色的直觀現(xiàn)象，能夠培養(yǎng)學(xué)生多維能力，促進(jìn)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)化。

5)聯(lián)系實際生活

基于真實生活的復(fù)雜情境中進(jìn)行實踐，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，建構(gòu)模型，解決問題，能夠優(yōu)化課程教學(xué)效果并促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。例如，在學(xué)習(xí)乙醛的性質(zhì)時，可以引導(dǎo)學(xué)生討論喝酒后服用頭孢的致死原因、探究致死物質(zhì)結(jié)構(gòu)、研制“解酒藥”來豐富學(xué)生對有機(jī)物的認(rèn)識并落實學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任。又如，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計火災(zāi)報警裝置，利用溫度傳感器、煙霧傳感器來采集環(huán)境數(shù)據(jù)，連接計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控報警，幫助人民防范火災(zāi)，將科學(xué)知識、社會責(zé)任滲透進(jìn)實驗教學(xué)。

聯(lián)系實際生活看似簡單，實則考驗教師的生活經(jīng)驗和專業(yè)素養(yǎng)，不僅需要教師創(chuàng)設(shè)巧妙的任務(wù)，在引導(dǎo)學(xué)生分析解決問題的過程中也需要教師循循善誘。所以引導(dǎo)學(xué)生完成與實際生活相聯(lián)系的實驗，要求教師鉆研教材知識，挖掘生活素材，深化學(xué)科認(rèn)識，落實立德樹人。

4 總結(jié)

在分析當(dāng)前化學(xué)實驗教學(xué)的不足后，論述了數(shù)字化實驗的內(nèi)涵、發(fā)展，研究其在化學(xué)教學(xué)中發(fā)揮的作用以及應(yīng)用于實驗教學(xué)的策略，旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力和科學(xué)態(tài)度，最終為學(xué)生將來化學(xué)知識的學(xué)習(xí)和綜合素質(zhì)的提高增添不竭動力，更好地落實核心素養(yǎng)，培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)人才，促進(jìn)社會進(jìn)步。